EP3615781A1 - Verfahren zum an- und abfahren einer gasturbine in einer gas- und dampfturbinenanlage - Google Patents

Verfahren zum an- und abfahren einer gasturbine in einer gas- und dampfturbinenanlage

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EP3615781A1
EP3615781A1 EP18730300.3A EP18730300A EP3615781A1 EP 3615781 A1 EP3615781 A1 EP 3615781A1 EP 18730300 A EP18730300 A EP 18730300A EP 3615781 A1 EP3615781 A1 EP 3615781A1
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EP
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gas turbine
gas
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starting
turbine
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Withdrawn
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EP18730300.3A
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Stefan Becker
Matthias Nickl
Kai Voit
Johannes WALZIK
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
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    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
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    • F05D2270/0831Purpose of the control system to produce clean exhaust gases by monitoring combustion conditions indirectly, at the exhaust

Definitions

  • the invention relates to a method for starting, but also to shutdown a gas turbine in a gas and steam turbine plant.
  • the invention relates to a Leitschaufelverstellfahrweise in gas turbines.
  • gas turbines in gas and steam turbine plants with closed guide vanes in the compressor are started up to a maximum value.
  • the object of the invention is to provide a method for starting and stopping a gas turbine in a gas and steam turbine plant, in which the system as quickly as possible in compliance with emission requirements and the lowest possible fatigue can be switched on and off by the gas turbine downstream components.
  • the invention solves the problem directed to a method for starting and stopping a gas turbine in a gas and steam turbine plant by providing that in such a method, the gas turbine comprises a compressor with adjustable vanes and the gas turbine power controllable through the opening of the vanes is, wherein the gas turbine is driven when starting up to base load or up to an emissions-compliant load point, wherein before reaching the base load or the emission-compliant load point, the vanes are opened.
  • the at least partial opening of the guide vanes the mass flow through the gas turbine is increased at an early stage and the temperature of the exhaust gas flow is reduced to downstream components. Complete opening of the vanes is typically avoided to avoid high emissions in the comparatively early startup period.
  • the guide vanes are closed at the beginning of the startup and are opened as far as possible during startup within the scope of the emission specifications, since a larger mass flow leads to more power or lower temperatures of the exhaust gas flow. It is essentially the operation of the plant "below” the design, which limits the degree of opening due to the then poorer emission levels It is advantageous if the combined cycle power plant includes an exhaust stack and emissions in the exhaust stack are continuously measured. Furthermore, it is advantageous if temperature sensors are read continuously during startup and shutdown. In particular, it is advantageous if the temperature sensors are continuously read out on thick-walled components, ie on components with a ratio of outer diameter to inner diameter greater than 1.2.
  • the gas turbine without any further gas turbine breakpoint with the maximum possible load ramp up to base load or up to the emission-compliant load point (eg 70% gas turbine load) is run up temperature-compatible for the following components.
  • the Leitschaufel -Verstellfahrweise the inventive method can also be used during the Abfahrvorgang to modify the gas turbine exhaust gas temperature in terms of boiler life.
  • Figure 1 is a schematic representation of a gas and steam turbine plant
  • Figure 2 is a graph for the electrical power of the gas and steam turbine plant over the exhaust gas temperature. ⁇
  • the gas turbine 1 shows a gas and steam turbine plant 2 with a gas turbine 1, a heat recovery steam generator 7 and a steam turbine 8.
  • the gas turbine 1 comprises a compressor 3, a combustion chamber 17 and a turbine 18.
  • the compressor 3 comprises adjustable guide vanes 4 with which the compressor air mass flow can be adjusted.
  • the steam turbine 8 is connected in a water-steam circuit 9, a capacitor 10 downstream.
  • the water-steam cycle 9 comprises the heat recovery steam generator 7, in which temperature sensors 6 are arranged in particular on thick-walled components.
  • the steam turbine 8 usually comprises a plurality of pressure stages 11, which drive the generator 14 via a common shaft 12 with a coupling 13.
  • an exhaust gas line 15 is connected to an inlet 16 of the heat recovery steam generator 7.
  • the relaxed working fluid from the gas turbine 1, i. the gas turbine exhaust gas leaves the waste heat steam generator 7 via an exhaust gas chimney 5.
  • FIG. 2 shows the electrical output of the combined cycle power plant 2 shown above the exhaust gas temperature in the inventive mode of operation 19 (two possible driving curves, dashed) in comparison with the previous mode of operation 20 (dotted).
  • the guide vanes 4 remained closed until the gas turbine 1 drove on base load or on an emission-compliant load point was. This guaranteed a stable and emission-compliant combustion and was the preferred method due to the "low" exhaust gas temperatures compared to today's gas turbines 1.
  • the mass flow through the gas turbine 1 is increased even before reaching the base load or an emission-compliant load point , which, inter alia, reduces the temperature of the exhaust gas stream.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum An- und Abfahren einer Gasturbine (1) in einer Gas- und Dampfturbinenanlage (2), wobei die Gasturbine (1) einen Verdichter (3) mit verstellbaren Leitschaufeln (4) umfasst und die Gasturbinenleistung auch durch die Öffnung der Leitschaufeln (4) kontrollierbar ist, wobei die Gasturbine (1) beim Anfahren bis auf Grundlast oder bis auf einen emissionskonformen Lastpunkt gefahren wird, wobei vor Erreichen der Grundlast oder des emissionskonformen Lastpunkts die Leitschaufeln (4) geöffnet werden.

Description

Beschreibung
Verfahren zum An- und Abfahren einer Gasturbine in einer Gas- und Dampfturbinenanlage
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anfahren, aber auch zum Abfahren einer Gasturbine in einer Gas- und Dampfturbi- nenanlage. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Leitschaufelverstellfahrweise bei Gasturbinen.
Typischerweise werden Gasturbinen in Gas- und Dampfturbinen- anlagen mit geschlossenen Leitschaufeln im Verdichter bis auf einen maximalen Wert hochgefahren. Dies hat den Vorteil, dass die Verbrennung in der Gasturbine stabil ist und die Emissio- nen vergleichsweise schnell in einem vorgabenkonformen Bereich liegen. Erst nach Erreichen der Grundlast oder nach Erreichen eines emissionskonformen Lastpunkts werden die Leitschaufeln geöffnet, um den Massenstrom durch die Gasturbine und somit auch die Leistung zu erhöhen.
Immer höhere Gasturbinen-Abgastemperaturen lassen aber nur eine eingeschränkte Gesamtanlagenschnellstartfähigkeit bei Gas- und Dampfturbinenanlagen zu. Insbesondere der Abhitzedampferzeuger ist erheblichem thermischem Stress ausgesetzt, was zu vergleichsweise starker, vorzeitiger Materialermüdung führt .
Daher erfolgt aktuell nur ein schrittweises Anfahren der Gesamtanlage einschließlich Lasthaltepunkten durch ein tempera- turgeführtes Gasturbinen-Anfahren bis zum Erreichen der maximalen Abgastemperatur inklusive der Leistungshaltepunkten zur Anwärmung der nachgeschalteten Komponenten (Abhitzedampferzeuger, Dampfturbine) . Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum An- und Abfahren einer Gasturbine in einer Gas- und Dampfturbinenanlage anzugeben, bei dem die Anlage möglichst rasch unter Einhaltung von Emissionsvorgaben und möglichst geringer Ermüdung von der Gasturbine nachgeschalteten Komponenten an- und abgefahren werden kann.
Die Erfindung löst die auf ein Verfahren zum An- und Abfahren einer Gasturbine in einer Gas- und Dampfturbinenanlage gerichtete Aufgabe, indem sie vorsieht, dass bei einem derartigen Verfahren die Gasturbine einen Verdichter mit verstellbaren Leitschaufeln umfasst und die Gasturbinenleistung auch durch die Öffnung der Leitschaufeln kontrollierbar ist, wobei die Gasturbine beim Anfahren bis auf Grundlast oder bis auf einen emissionskonformen Lastpunkt gefahren wird, wobei vor Erreichen der Grundlast oder des emissionskonformen Lastpunkts die Leitschaufeln geöffnet werden. Durch das zumindest teilweise Öffnen der Leitschaufeln wird der Massenstrom durch die Gasturbine frühzeitig erhöht und die Temperatur des Abgasstroms auf nachfolgende Bauteile verringert. Eine vollständige Öffnung der Leitschaufeln wird typischer Weise zur Vermeidung zu hoher Emissionen im ver- gleichsweise frühen Zeitraum des Anfahrens vermieden.
Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Gasturbine mit maximal möglicher Lastrampe hochgefahren wird. Somit ist ein möglichst schnelles Anfahren gewährleistet.
Es ist vorteilhaft, wenn die Leitschaufeln zu Beginn des Anfahrens geschlossen sind und beim Anfahren im Rahmen der Emissionsvorgaben so weit wie möglich geöffnet werden, da ein größerer Massenstrom zu mehr Leistung bzw. geringeren Tempe- raturen des Abgasstroms führt. Es ist im Wesentlichen der Betrieb der Anlage „unterhalb" der Auslegung, der auf Grund der dann schlechteren Emissionswerte den Grad der Öffnung begrenzt . Es ist vorteilhaft, wenn die Gas- und Dampfturbinenanlage einen Abgaskamin umfasst und Emissionen im Abgaskamin kontinuierlich gemessen werden. Ferner ist es vorteilhaft, wenn beim An- und Abfahren Temperatursensoren kontinuierlich ausgelesen werden. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Temperatursensoren an dickwandigen Bauteilen kontinuierlich ausgelesen werden, d.h. an Bauteilen mit einem Verhältnis von Außendurchmesser zu Innendurchmesser größer als 1,2.
Durch das erfinderische Verfahren wird die Gasturbine ohne weiteren Gasturbinen-Haltepunkt mit der maximal möglichen Lastrampe bis auf Grundlast oder bis auf den emissionskonformen Lastpunkt (z. B. 70% Gasturbinen-Last) temperaturverträglich für die nachfolgenden Komponenten hochgefahren. Ferner kann die Leitschaufel -Verstellfahrweise des erfinderischen Verfahrens auch beim Abfahrvorgang eingesetzt werden kann um die Gasturbinen-Abgastemperatur im Hinblick auf die Kessellebensdauer zu modifizieren.
Es ergeben sich folgende Vorteile:
• Reduzierung der Abhitzedampferzeuger-Stressbelastung und minimaler Abhitzedampferzeuger-Lebensdauerverbrauch
• Reduzierung der Anfahr-Emissionen (NOx)
• Verbesserter und flexibler Betrieb über den gesamten
Lastbereich
• Schnelleres Anfahren der Gas-und Dampfturbinen-Anlage einschließlich reduziertem Brennstoffverbrauch
• Erhöhte, schnellere Leistungsbereisteilung durch die
Verwendung von höheren Gasturbinen-Lastrampen während des Anfahrbetriebs
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Gas- und Dampfturbinenanlage und
Figur 2 eine Grafik für die elektrische Leistung der Gas- und Dampfturbinenanlage über der Abgastemperatur. Λ
In der schematischen Darstellung der Figur 1 ist eine Gas- und Dampfturbinenanlage 2 mit einer Gasturbine 1, einem Abhitzedampferzeuger 7 und einer Dampfturbine 8 gezeigt. Andere Ausführungen, wie beispielsweise zwei oder mehr Gasturbinen mit je einem nachgeschalteten Abhitzedampferzeuger oder gar einem gemeinsamen Abhitzedampferzeuger sind ebenfalls möglich. Die Gasturbine 1 umfasst einen Verdichter 3, eine Brennkammer 17 und eine Turbine 18. Der Verdichter 3 umfasst verstellbare Leitschaufeln 4, mit denen der Verdichterluftmassenstrom eingestellt werden kann. Der Dampfturbine 8 ist in einem Wasser-Dampf-Kreislauf 9 ein Kondensator 10 nachgeschaltet. Ferner umfasst der Wasser- Dampf-Kreislauf 9 den Abhitzedampferzeuger 7, in dem insbesondere an dickwandigen Bauteilen Temperatursensoren 6 angeordnet sind.
Die Dampfturbine 8 umfasst üblicherweise mehrere Druckstufen 11, die über eine gemeinsame Welle 12 mit einer Kupplung 13 den Generator 14 antreiben. Zum Zuführen von in der Gasturbine 1 entspanntem Arbeitsmittel oder Rauchgas in den Abhitzedampferzeuger 7 ist eine Ab- gasleitung 15 an einen Eingang 16 des Abhitzedampferzeugers 7 angeschlossen. Das entspannte Arbeitsmittel aus der Gasturbine 1, d.h. das Gasturbinenabgas, verlässt den Abhitzedampfer- zeuger 7 über einen Abgaskamin 5.
Figur 2 zeigt die elektrische Leistung der Gas- und Dampfturbinenanlage 2 dargestellt über der Abgastemperatur bei der erfinderischen Fahrweise 19 (zwei mögliche Fahrkurven, ge- strichelt) im Vergleich zur bisherigen Fahrweise 20 (gepunktet) . Bei der bisherigen Fahrweise 20 blieben die Leitschaufeln 4 so lange geschlossen, bis die Gasturbine 1 auf Grundlast oder auf einen emissionskonformen Lastpunkt gefahren war. Dies garantierte eine stabile und emissionskonforme Verbrennung und war aufgrund der im Vergleich zu heutigen Gasturbinen 1 „niedrigen" Abgastemperaturen das bevorzugte Verfahren. Mit dem Verfahren nach der Erfindung wird der Massen- ström durch die Gasturbine 1 bereits vor Erreichen der Grundlast oder eines emissionskonformen Lastpunkts erhöht, wodurch sich u.a. die Temperatur des Abgasstroms verringert.

Claims

Verfahren zum An- und Abfahren einer Gasturbine (1) in einer Gas- und Dampfturbinenanlage (2), wobei die Gasturbine (1) einen Verdichter (3) mit verstellbaren Leitschaufeln (4) umfasst und die Gasturbinenleistung auch durch die Öffnung der Leitschaufeln (4) kontrollierbar ist, wobei die Gasturbine (1) beim Anfahren bis auf
Grundlast oder bis auf einen emissionskonformen Lastpunkt gefahren wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor Erreichen der Grundlast oder des emissionskonformen Lastpunkts die Leitschaufeln (4) geöffnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Gasturbine (1) mit maximal möglicher Lastrampe hochgefahren wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Leitschaufeln (4) zu Beginn des Anfahrens geschlossen sind .
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leitschaufeln (4) im Rahmen von Emissionsvorgaben so weit wie möglich geöffnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Gas- und Dampfturbinenanlage (2) einen Abgaskamin (5) umfasst und Emissionen im Abgaskamin (5) kontinuierlich gemessen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim An- und Abfahren Temperatursensoren (6) kontinuierlich ausgelesen werden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Temperatursensoren (6) an dickwandigen Bauteilen kontinuierlich ausgelesen werden, d.h. an Bauteilen mit einem Verhältnis von Außendurchmesser zu Innendurchmesser größer als 1,2.
EP18730300.3A 2017-06-19 2018-06-04 Verfahren zum an- und abfahren einer gasturbine in einer gas- und dampfturbinenanlage Withdrawn EP3615781A1 (de)

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